CN203590590U - 一种电路封装结构pcb基板 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及的一种电路封装结构PCB基板,其特征在于,其由线路层、绝缘层、导热层及液态金属组成。线路层将基板上的电子器件连入电路中;绝缘层将线路层和导热层电绝缘,保证了线路层的正常运行;导热层能有效传导电子器件产生的热量;液态金属填充于PCB板的孔中(孔位于电子器件正下方,贯穿绝缘层与导热层),可降低热阻,大大提高基板的综合热导率。本实用新型涉及的一种电路封装结构PCB基板导热性能优异,可显著降低电子器件的温度,延长电子器件的寿命,且加工方便成本低,可广泛用于电脑、通讯、消费电子、光电照明领域。

Description

一种电路封装结构PCB基板
技术领域
本发明涉及一种电路封装结构PCB基板,该电路封装结构PCB基板由线路层、绝缘层、导热层和液态金属组成,其中,液态金属填充于电子器件正下方贯穿绝缘层与导热层的孔中,可显著提高PCB板的综合热导率。本发明可广泛用于电脑、通讯、消费电子以及光电照明领域。
背景技术
近年来,大功率电子元器件向着更大功率、更小体积的方向发展,由此引发的热量问题越来越严重,热量不仅影响电子元器件的运行速度,严重时还会形成热保护,影响其使用寿命,因此,电子元器件的热管理正变得越来越重要。保持电子元器件使用寿命的关键是采用最先进的热量管理材料,采用高导热性能的PCB板就是其中的要素之一。
PCB板是电子元器件散热的重要环节,其将电子器件产生的热量传导至翅片散热器,进而散至周围环境中。传统的PCB板由线路层、绝缘层及导热层组成。其中,绝缘层是基板最核心的技术,主要起到粘接,绝缘和导热的功能。绝缘层是功率模块结构中最大的导热屏障,现有的绝缘层材料多为FR-4 半固化片(1080),其热导率很低(导热系数仅为0.3W/m·K),并且由于其电气绝缘性较差,需要达到一定的厚度才能达到产品所要求的击穿强度,更降低了基板的综合导热系数,影响基板的散热性能。为了提高绝缘层的导热性能,国外厂家向基板绝缘层中添加合适的导热填料(陶瓷),使绝缘层的热导率提高至1-2 W/m·K,如此有限的热导率提升效果,不仅大大增加了绝缘层制作工艺的难度,并使成本大幅度提高,阻碍其在电子元器件散热领域中的广泛使用。因此,寻找一种加工简单、成本低廉、可显著提高基板热导率的材料和方法成为PCB板在电子元器件散热领域中应用的重要研究课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电路封装结构PCB基板,其由线路层、绝缘层、导热层及液态金属组成。本发明涉及的电路封装结构PCB基板具有高导热性能、低成本、且工艺简单的优点,可广泛用于电脑、通讯、消费电子以及光电照明领域。
本发明的技术方案如下:
本发明提供的一种电路封装结构PCB基板,如图1所示,其结构如下:
一线路层2,所述线路层2位于基板的最顶层,将基板上的电子器件1连接起来,形成电路;
一绝缘层3,所述绝缘层3位于所述线路层2和导热层4间,起粘接、绝缘及导热作用;
一导热层4,所述导热层4位于所述绝缘层3下方,能有效传导电子器件产生的热量;
一液态金属5,所述液态金属5填充于电子器件1正下方贯穿绝缘层3与导热层4的孔中,以提高PCB板的综合热导率。
本发明中所述的电路封装结构PCB基板,其特征在于,所述线路层2材料为铜箔,厚度为1oz~10oz。
所述绝缘层3材料为FR-4 半固化片或陶瓷粉末填充而成的聚合物(主要是环氧树脂),绝缘层厚度为50~200μm。
所述导热层4材料为铜、铝或陶瓷,厚度在0.5mm~4mm之间。
所述液态金属5填充于电子器件1正下方贯穿绝缘层3与导热层4的孔中,孔直径在2mm~20mm之间。
所述液态金属5以及导热层4的一侧可根据需要连接铝翅片散热器或热管。
所述液态金属5选自熔点在200℃以下的钠、钾、锂、铷、铯、镓、铟、汞、铅铋合金、镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金、铋基合金、汞基合金或钠钾合金中的一种或任意两种以上的组合。
所述镓基二元合金为镓铟合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铅合金或镓汞合金。
所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。
一种电路封装结构PCB基板的使用方法如下:
将液态金属5填充于电子器件1底部贯穿绝缘层3与导热层4的孔中(孔直径在2mm~20mm之间),导热层4的另一侧可根据需要连接铝翅片散热器或热管。当电子器件1工作时,产生的热量,小部分通过PCB板绝缘层3扩散并传导至导热层4,进而由导热层4将热量传到与之连接的铝翅片散热器上;大部分热量通过液态金属5直接将热量传到与之连接的铝翅片散热器上。由于液态金属的传热系数远大于绝缘层的导热系数,且传热路径更短。因此,这种电路封装结构PCB基板可显著降低电子器件的工作温度,使其能在较低温度下长期安全稳定地工作。
本发明所述的一种电路封装结构PCB基板具有如下优点:
(1)加工工艺简单,在现有基板加工工艺基础上,只需对基板相应位置打孔并填充液态金属即可,工艺简单,操作方便;
(2)散热性能优异,作为填充材料的液态金属热导率高,且液态金属填充于电子器件的正下方,大大缩减了传热路径,保证基板优异的传热性能;
(3)成本低,电路封装结构PCB基板液态金属用量较少,因而成本较低,且较差的绝缘材料结合液态金属的方案,即可达到国外高性能绝缘材料基板的传热效果。与国外产品相比,成本低且效果显著。
附图说明
图1为实施例中一种电路封装结构PCB基板结构示意图。
其中,1为电子器件,2为基板的线路层,3为基板绝缘层,4为基板导热层,5为液态金属。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明,本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施例仅是范例性的,并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是,在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换,但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
下面结合附图及具体实施例进一步描述本发明。
实施例1
如图1所示,本实施例的电子器件1为LED光源,线路层2为厚度1oz的铜箔。绝缘层3材质为FR-4,其导热系数为0.3W/m·K,厚度为200μm。导热层4材质为铝,厚度为1.5mm。孔直径为6mm,内填充的液态金属5为镓铟锡锌合金(各组分质量分数为Ga 61%、In 24%、Sn 13%、Zn 2%),其具有较高热导率(20W/m·K),可将LED光源1产生的热量及时散出,保证了LED光源的正常工作。
使用时,将液态金属5填充于LED光源1底部贯穿绝缘层3与导热层4的孔中(孔直径在2mm~20mm之间),将铝翅片散热器安装在散热板的导热层。当LED光源1工作时,产生的热量,小部分通过LED绝缘层3扩散并传导至导热层4,进而由导热层4将热量传到与之连接的铝翅片散热器上;大部分热量通过液态金属5直接将热量传到与之连接的铝翅片散热器上。由于液态金属的传热系数远大于绝缘层的导热系数,且传热路径更短。因此,这种电路封装结构PCB基板可显著降低LED光源的工作温度,使其能在较低温度下长期安全稳定地工作。
为了评估本发明所述新型基板的散热性能,进行如下理论计算。
以直径6mm的LED光源为例,其镶嵌在边长为1cm的基板上。
传统基板参数如下:绝缘层材质为FR-4,导热系数为0.3W/m·K,厚度为200μm。导热层材质为铝合金6061,热导率为160 W/m·K,厚度为1.5mm。绝缘层与导热层为串联模式,即:
Figure 665234DEST_PATH_IMAGE002
                            (1)
其中,L为基板总厚度,λ为基板当量热导率。L1为绝缘层厚度,λ1为绝缘层热导率,L2为导热层厚度,λ2为导热层热导率。
由公式(1)可知,基板总热导率λ为:
Figure 299794DEST_PATH_IMAGE006
                          (2)
由傅立叶定律可知,
Figure 819638DEST_PATH_IMAGE008
                           (3)
Figure 634010DEST_PATH_IMAGE010
得传统铝基板上下侧温升为
                        ΔT=13.6oC                           (4)
本发明涉及的电路封装结构PCB基板,在LED光源下方打6mm孔,填充液态金属,热导率为20W/(m·K)。由传热学定律可知,打孔区域与非打孔区域为并联模式,即:
λA=λ1A12A2                                               (5)
其中,λ为基板当量热导率,A为基板总面积,λ1为非打孔区域热导率,A1为非打孔区域总面积,λ2为打孔区域热导率,A2为打孔区域总面积。
则电路封装结构PCB基板的当量热导率为:
Figure 141958DEST_PATH_IMAGE012
λ =7.4W/(m·K)                        (6)
由傅立叶公式
Figure 346675DEST_PATH_IMAGE008
                            (7)
Figure 545575DEST_PATH_IMAGE014
得电路封装结构PCB基板上下侧温升为
                          ΔT’=4.6C                               (8)
由式(4)及(8)可知,电路封装结构PCB基板相对于传统基板的温度提升为:
 ΔT-ΔT’=13.6-4.6=9(oC)               (9)
实施例2
如图1所示,本实施例的电子器件1为手机芯片,线路层2为厚度2oz的铜箔。绝缘层3材质为FR-4,其导热系数为0.3W/m·K,厚度为75μm。导热层4材质为铜,厚度为1mm。孔直径为2mm,孔内填充的液态金属5为镓铟锡合金(各组分质量分数为Ga 66%、In 20.5%、Sn 13.5%)。这种电路封装结构PCB基板具有较高热导率,可将手机芯片1产生的热量及时散出,保证了手机芯片的正常工作。
使用时,将液态金属5填充于手机芯片1底部贯穿绝缘层3与导热层4的孔中(孔直径在2mm~20mm之间)。当手机芯片1工作时,产生的热量,小部分通过PCB绝缘层3扩散并传导至导热层4,进而由导热层4将热量传到与之连接的铝翅片散热器或热管;大部分热量通过液态金属5直接将热量传到与之连接的铝翅片散热器或热管。由于液态金属的传热系数远大于绝缘层的导热系数,且传热路径更短。因此,这种电路封装结构PCB基板可显著降低手机芯片的工作温度,使其能在较低温度下长期安全稳定地工作。
实施例3
如图1所示,本实施例的电子器件1为电脑芯片,线路层2为厚度是3oz的铜箔。绝缘层3为陶瓷粉末填充而成的聚合物(主要是环氧树脂),其导热系数为2W/m·K,厚度为75μm。导热层4为陶瓷,厚度为1mm。孔直径为4mm,孔内填充的液态金属为镓铟锡锌合金(各组分质量分数为Ga 61%、In 24%、Sn 13%、Zn 2%),其具有较高热导率,可将电脑芯片1产生的热量及时散出,保证了电脑芯片的正常工作。
使用时,将液态金属5填充于电脑芯片1底部贯穿绝缘层3与导热层4的孔中(孔直径在2mm~20mm之间),当电脑芯片1工作时,产生的热量,小部分通过PCB绝缘层3扩散并传导至导热层4,进而由导热层4将热量传到与之连接的铝翅片散热器或热管;大部分热量通过液态金属5直接将热量传到与之连接的铝翅片散热器或热管。由于液态金属的传热系数远大于绝缘层的导热系数,且传热路径更短。因此,这种电路封装结构PCB基板可显著降低电脑芯片工作温度,使其能在较低温度下长期安全稳定地工作。
最后应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种电路封装结构PCB基板,其特征在于,其结构如下:
一线路层,所述线路层位于基板的最顶层,将基板上的电子器件连接起来,形成电路;
一绝缘层,所述绝缘层位于线路层和导热层间,起粘接、绝缘及导热作用;
一导热层,所述导热层位于绝缘层下方,能有效传导电子器件产生的热量;
一液态金属,所述液态金属填充于电子器件正下方贯穿绝缘层与导热层的孔中,以提高基板的综合热导率。
2.根据权利要求1所述的一种电路封装结构PCB基板,其特征在于,所述线路层材料为铜箔,厚度为1oz~10oz。
3.按权利要求1所述的一种电路封装结构PCB基板,其特征在于,所述绝缘层材料为FR-4半固化片,绝缘层厚度为50~200μm。
4.按权利要求1所述的一种电路封装结构PCB基板,其特征在于,所述导热层材料为铜、铝或陶瓷,厚度在0.5mm~4mm之间。
5、按权利要求1所述的一种电路封装结构PCB基板,其特征在于,所述液态金属填充于电子器件正下方贯穿绝缘层与导热层的孔中,孔直径在2mm~20mm之间。
6、按权利要求1所述的一种电路封装结构PCB基板,其特征在于,所述液态金属以及导热层的一侧连接铝翅片散热器或热管。
7.按权利要求1所述的一种电路封装结构PCB基板,其特征在于,所述液态金属选自熔点在200℃以下的钠、钾、锂、铷、铯、镓、铟、汞、铅铋合金、镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金、铋基合金、汞基合金或钠钾合金。
8、根据权利要求7所述的一种电路封装结构PCB基板,其特征在于,所述镓基二元合金为镓铟合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铅合金或镓汞合金;所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。
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